基于理論與數值計算的隧道施工通風研究

林明才， 駱 陽

(1.成都大西南鐵路監理有限公司，四川成都610031；2.西南交通大學，四川成都610031)

隧道施工過程中，由于掌子面爆破、機械車輛作業以及部分圍巖中富存有害氣體，均會污染隧道內空氣。施工通風能有效降低隧道中有害氣體濃度，改善作業環境，確保隧道施工進度。數值仿真是研究隧道施工通風的重要方法，較多學者開展相關研究。

武金明[1]采用FLUENT數值模擬軟件，對速度場進行模擬計算，根據規范要求，確定合理的通風參數。劉釗春[2]通過大型有限元軟件ADINA，實現了隧道三維空間內風流結構和有害氣體濃度擴散的數值模擬，并對射流風機的擺放位置、風機間距進行優化。趙子成[3]、彭佩等[4]、方勇等[5]、趙曉娟[6]采用三維數值模擬，研究了風管布設位置、風管管口與工作面距離等因素對隧道施工通風效果的影響。張云龍等[7]采用數值模擬與現場測試相結合的方法，研究不同風管出口距掌子面距離下，隧道內瓦斯濃度的分布規律。郭磊[8]通過數值模擬和實測數據對比，分析出某隧道通風的薄弱面，并提出相應解決措施。

上述研究中，大多采用數值計算方法，取隧道內流體區域作為研究對象，建立數值模型，忽略風機和風管內空氣流場，給定風管出口風速邊界進行計算分析。然而，隧道施工通風是一個復雜的系統[9]，由風機、風管和隧道共同組成。風機風壓、風管風阻和漏風率、隧道風阻相互作用，影響隧道中流場分布，僅對隧道中流體區域進行分析，不足以反映整個系統的特性。本文將考慮風機、風管和隧道系統，建立數值計算模型，進行隧道施工通風分析，并與理論計算結果進行對照。

1 工程概況

某隧道斜井采用壓入式施工通風，全長740m，為便于理論與數值計算的對照，取685m進行研究。斜井平面布置如圖1所示。采用(SDF(D)-No12.5)型軸流風機，布置于斜井洞外30m處。風管出口距離斜井掌子面15m。斜井橫斷面布置如圖2所示。

圖1 斜井通風平面布置

圖2 斜井橫斷面

2 隧道通風阻力理論

2.1 摩擦阻力

摩擦阻力是風流與隧道或風管側壁摩擦以及空氣分子間的擾動和摩擦而產生的能量消耗[10]。

當不計管路漏風時，計算公式為式(1)。

(1)

式中：hf為管路的摩擦阻力Pa；λ為摩擦系數；L為管路長度m；d為管路直徑m；v為管路內風流速度m/s；ρ為空氣密度kg/m3。

當管路漏風時，計算公式為式(2)。

(2)

式中：β為風管百米漏風率平均值；Q0為風機工作點風量m3/s；其余符號同前。

2.2 局部阻力

局部阻力風流流經突然擴大或縮小、轉彎交叉等的管路時，產生的能量消耗[10]。

計算公式為式(3)。

(3)

式中：hx為管路的局部阻力損失Pa；ξ為局部阻力系數；v1為管路小斷面處的風速m/s；其余符號同前。

3 隧道施工通風理論計算

斜井當量直徑為5.448m，面積為40.439m2。風管直徑φ1.5m，風管橫截面積Afg為1.767m2。斜井與風管沿程阻力系數λ分別取0.043和0.018。風管百米漏風率β取2%。空氣密度ρ取1.225kg/m3。斜井需風量為Q0。通風參數計算：

3.1 送風機風量

送風機風量為：

3.2 通風阻力

3.2.1 風管阻力

風管沿程阻力：

風機入口局部阻力：

風管出口動壓損失：

風管總阻力：

3.2.2 斜井阻力

斜井沿程阻力：

斜井出口局部阻力：

斜井總阻力：

3.2.3 系統通風總阻力

根據理論計算繪制斜井通風阻力特性曲線(圖3)。

圖3 斜井通風阻力特性曲線

4 隧道施工通風數值計算

按3節中系統通風總風阻H和需風量Q0的關系，分別取定4種需風量，得到相應系統總風阻，如表1所示。將對表中4種工況進行數值模擬，以期與理論結果進行對照。

表1 各需風量下系統總風阻

4.1 基本假定

根據相關學者對隧道施工通風的研究[1, 3, 6, 11-14]，對隧道內空氣作出基本假定：

(2)氣體為不可壓縮流體。

(3)氣體的流動為穩定流。

(4)氣體的流動服從連續性規律。

4.2 幾何模型及網格劃分

采用前處理軟件Gambit建立1∶1的三維數值模型，導入大型流體分析軟件FLUENT進行計算。數值模型如圖4所示，分別建立風機、風管和隧道空氣區域模型。考慮到斜井洞外的風機進風口流場分布較為復雜，故在斜井洞外建立3倍洞徑的外部空氣域，盡可能消除邊界效應的影響。網格劃分采用六面體網格，并對風管漏風點和斜井掌子面附近網格進行加密。為模擬風管漏風，如圖5所示，每隔100m設置一處漏風點，取漏風面積為0.004 5m2。

圖4 數值計算網格

圖5 風管漏風示意

4.3 邊界條件

參考現有隧道施工通風研究[13,15-19]，并結合FLUENT軟件中邊界條件相關特點，計算模型邊界條件設置為：

(1)風機、斜井和風管壁面均采用Wall邊界，隧道壁粗糙高度取0.23m，風機和風管壁粗糙高度取0.000 5m。

(2)斜井外部空氣域采用Pressureoutlet邊界，指定標準大氣壓。

(3)風機進風口采用Fan邊界，按表1分別設定4種工況下的風機全壓。

4.4 計算結果與分析

4.4.1 風管出口風量

根據數值計算結果，將工況1～4風管出口風量列于表2。由表2可知，數值計算風管出口風量與理論風量較為接近，各工況下相對誤差均在5%以內，滿足實際工程誤差要求。而大多壓入式隧道施工通風的需風量為20～50m3/s，故數值計算結果具有普遍性。故本文數值計算結果具有可靠性與合理性，數值計算模型可用于隧道施工通風研究。

表2 數值計算風量統計

4.4.2 風管百米漏風率

根據風管漏風點處平均風速，換算得到各段漏風量和漏風率。將工況1～4中各段風管漏風率平均值列于表3中，由表3可知：

表3 風管百米漏風率統計

(1)數值計算平均漏風率與理論計算取值較為接近，最大誤差僅為6.8%，數值計算具有合理性。

(2)工況1～4，風機風壓由896Pa增加至5 600Pa，風管平均100m漏風率從2.022%增加至2.137%，風機工作風壓對風管漏風率影響較小。

將各工況下，風管百米漏風率隨距離的變化繪制如圖6所示。由曲線可知，風管漏風率隨距離的增加而不斷減小，且減小幅值較大，由3%～0.5%，故在實際隧道施工時，應盡量保證與風機距離較近的風管具有較好的氣密性，從而減小風量的損失。且工況1～4，即不同風機風壓條件下，風管漏風率隨距離的變化趨勢相同。

圖6 風管百米漏風率隨距離變化曲線

4.4.3 漏風點處流場分布

風管內外存在壓強差，漏風點處，存在風壓損失。如圖7所示，為工況4風管漏風點處全壓云圖，風管內全壓約為4 500Pa，隧道內全壓僅約為200Pa，風管經過漏風點風壓衰減，斜井隧道內壓力局部增加，全壓從高到低過渡。以此可知，漏風點處風管與斜井隧道壓力場相互影響。同時，漏風點處風流將從管內的高壓區流向斜井隧道低壓區[20]。如圖8所示，漏風點處風流從風管沿前進方流向斜井隧道，在斜井內局部產生渦流，經過漏風點，風管中風速也略有減小。

圖7 漏風點處靜壓場云圖(工況1)

圖8 漏風點處流速場矢量圖(工況1)

5 結論

本文建立“風機-風管-隧道”系統三維數值計算模型，對某斜井隧道壓入式施工通風進行模擬，獲取風量、漏風率等通風參數，并與理論計算結果進行對照，得出結論：

(1)數值計算風管出口風量與理論風量較為接近，各工況下相對誤差均在5%以內，滿足實際工程誤差要求，說明本數值計算模型具有合理性。

(2)數值計算平均漏風率與理論計算取值較為接近，最大誤差僅為6.85%，表明數值計算風管漏風面積取值合理。

(3)風機風壓由896Pa增加至5 600Pa，而風管平均百米漏風率僅從2.022%增加至2.137%，說明風機工作風壓對風管漏風率影響較小。

(4)風管漏風率隨著與風機距離的增加而不斷減小，且減小幅值較大。

(5)漏風點處，風管與斜井隧道的壓力場與流速場相互影響。